PERPINDAHAN PANAS KONVEKSI PADA PLAT DATAR

MAKALAH MAKALAH

PERPINDAHAN PANAS KONVEKSI

PERPINDAHAN PANAS KONVEKSI

ALIRAN DIATAS PLAT RATA

ALIRAN DIATAS PLAT RATA

Disusun Oleh : Disusun Oleh : Muhamad Lutfil Hakim Muhamad Lutfil Hakim

CA!"#! CA!"#!

PRO$RAM ST%DI S!

PRO$RAM ST%DI S! TEKNIK MESIN LINTAS &AL%R 

TEKNIK MESIN LINTAS &AL%R 

'AK%LT

'AK%LTAS TE

AS TEKNI

KNIK 

K 

%NIVERSITAS M%HAMMADI(AH SEMARAN$

%NIVERSITAS M%HAMMADI(AH SEMARAN$

#!)

#!)

*A* I

PENDAH%L%AN

!+! Pe,umusan Masalah

!+!+! Pengertian proses konveksi.

!+!+ Permasalahan dalam perpindahan panas konveksi. !+!+- Perpindahan panas konveksi pada plat datar.

!+!+. Pepindahan panas pada aliran laminar dan turbulen.

!+ Tu/uan Penulisan Makalah

!++! Untuk menjelaskan mengenai perpindahan kalor khususnya secara konveksi.

!++ Menjelaskan perpindahan panas secara konveksi pada plat rata.

!++- Untuk memenuhi tugas akhir semester mata kuliah “Perpindahan Panas”.

!+- Manfaat Makalah

!+-+! Mengetahui tentang perpindahan panas/kalor khususnya secara konveksi.

!+-+ Mengetahui perpindahan panas konveksi pada plat rata.

!+-+- Mengetahui dan dapat menetukan jenis aliran pada proses konveksi. !+-+. Dapat menghitung koefisien konveksi

*A* II

TIN&A%AN P%STAKA

+! Pendahuluan

onveksi adalah mekanisme perpindahan panas yang terjadi pada antarmuka  padat!cairan. "indakan fluida sebagai kendaraan untuk transportasi energi# dan

menuju ke permukaan. Dua pola aliran yang berbeda dapat terjadi yaitu laminar dan turbulen. Dalam aliran laminar# garis arus cairan stabil# dan kemudian# setelah keadaan stabil tercapai# kecepatan pada setiap titik konstan. dalam bergolak mengalir# meskipun kami juga berbicara tentang keadaan stabil# yang berarti bah$a kecepatan konstan rata!rata ada di setiap lokasi# ada fluktuasi acak di sekitar nilai rata!rata ini. %erakan gerakan fluida acak disebut  pusaran# dan mereka tidak dapat diprediksi dan memprovokasi agitasi internal yang sangat mempengaruhi perpindahan panas. Dalam sistem aliran laminar# adalah mungkin untuk menulis persamaan diferensial untuk momentum dan keseimbangan energi yang dapat diselesaikan untuk menemukan profil kecepatan dan suhu dalam cairan. Dengan mengetahui distribusi temperatur# adalah mungkin untuk menghitung densitas heat!fluks pada fluida. Dalam sistem aliran turbulen# karena distribusi suhu dan kecepatan fungsi yang tidak  kontinu# pendekatan ini tidak mungkin# dan perlu menggunakan korelasi eksperimental.

+ Pe,masalahan Dalam K0n1eksi

Masalah konveksi adalah untuk menentukan efek dari geometri permukaan dan aliran kondisi pada koefisien konveksi yang dihasilkan dari lapisan batas yang berkembang di permukaan. Untuk memperkenalkan efek ini#  pertimbangkan aliran konveksi paksa cairan dengan aliran kecepatan bebas u& dan "& suhu secara paralel# steady# aliran mampat selama plat datar dengan suhu yang seragam "s '"s ( "&) seperti ditunjukkan pada %ambar *.+. ami menggunakan situasi ini untuk mengembangkan pemahaman tentang geometri dan efek mengalir dan# di bagian berikutnya bab ini# memperpanjang konsep untuk kondisi aliran lainnya.

++! The,mal *0unda,2 La2e,

-ama seperti lapisan batas hidrodinamik berkembang ketika ada aliran fluida di atas permukaan# lapisan batas termal berkembang jika aliran  bebas dan permukaan suhu berbeda. Mempertimbangkan aliran laminar 

selama bidang datar ditunjukkan pada %ambar *.*'a). Di tepi# profil temperatur seragam# dengan " '#y)  "&. Partikel fluida yang bersentuhan dengan bidang mencapai suhu permukaan bidang itu# "s. Pada akhirnya#  partikel!partikel ini bertukar energi dengan yang lain di batasan lapisan# dan gradien temperatur terjadi dalam fluida. 0ilayah fluida dimana terjadi gradien temperatur ini ada adalah lapisan batas termal# dan ketebalannya 1t  biasanya didefinisikan sebagai nilai y yang rasionya 2'"s ! ") / '"s ! "&)3  .44. Dengan meningkatkan jarak dari tepi# efek dari perpindahan panas menembus jauh ke dalam aliran bebas# dan lapisan batas termal timbul dengan cara yang sama seperti halnya lapisan batas hidrodinamik# %ambar  *.*'b). 5ubungan antara kondisi di lapisan batas termal dan koefisien konveksi dengan mudah dapat ditunjukkan. -eperti yang ditunjukkan pada %ambar *.*'c)# setiap 6 jarak dari tepi# heatfluks lokal dapat diperoleh dengan menerapkan hukum 7ourier untuk fluida pada y   dalam hal konduktivitas termal dari fluida# k# dan gradien suhu di permukaan# yaitu

} = {left none -k {∂T} over {∂y} right rline} rsub {y=0} q¿_s

%ambar *.*. 'a) 5ydrodynamic boundary layer. 'b) "hermal boundary layer. 'c) 5ubungan antara kondisi di lapisan batas termal dan koefisien konveksi.

Ungkapan ini tepat karena di permukaan# kecepatan fluida adalah nol 'kondisi tidak ada!slip) dan perpindahan energi terjadi secara konduksi.

Diketahui bah$a permukaan heatfluks sama dengan fluks konvektif# yang dinyatakan oleh hukum 8e$ton tentang pendinginan.

q} = {q} rsub {conv} rsup {_s

=

h _x

(

T _s

−

T _∞

)

Dengan menggabungkan persamaan di atas# kita memperoleh persamaan untuk koefisien konveksi lokal#

h _x

=

−

k ∂ T 

/

∂ y

|

 y=0 T _s

−

T _∞

ondisi di lapisan batas termal sangat mempengaruhi gradien suhu pada  permukaan# yang dari persamaan diatas menentukan laju perpindahan  panas di lapisan batas dan menentukan koefisien konveksi lokal.

%ambar *.9 Penurunan

}

q_s¿ dan h6 kearah 6

Mengacu pada representasi batas termal %ambar *.*a# perhatikan bah$a 1t meningkat kearah 6# gradien temperatur di lapisan batas harus menurun kearah 6. Demikian# besarnya ∂T 

/

∂ y

|

 y=0 _{menurun dengan 6# dan ini}

mengikuti bah$a

}

q_s¿ dan h6 menurun kearah 6# seperti ditunjukkan pada %ambar *.9.

-eperti yang ditunjukkan pada %ambar *.:# batas termal memiliki karakteristik aliran dan temperatur profil yang merupakan konsekuensi dari perilaku lapisan batas hidrodinamik. Dalam daerah laminar# gerakan fluida sangat ditandai dengan komponen kecepatan di kedua arah 6 dan y. omponen kecepatan v dalam arah y 'normal ke permukaan) memberikan kontribusi untuk transfer energi 'dan momentum) melalui lapisan batas. Profil temperatur yang dihasilkan '%ambar *.:) berubah secara bertahap keatas mele$ati ketebalan lapisan batas.

Pada jarak tertentu dari tepi# gangguan kecil dalam aliran diperkuat# dan transisi ke aliran turbulen mulai terjadi. %erakan fluida di daerah turbulen sangat tidak teratur dan ditandai dengan fluktuasi kecepatan yang meningkatkan transfer energi. arena pencampuran cairan yang dihasilkan dari fluktuasi# lapisan batas turbulen lebih tebal. Demikian# profil temperatur lebih datar# tapi gradien temperatur di permukaan lebih curam untuk aliran laminar.

%ambar *.: Pengembangan lapisan batas termal di bidang datar  menunjukkan perubahan dalam profil temperatur fluida dan koefisien konveksi lokal di aliran laminar dan daerah aliran turbulen.

Dalam menganalisis perilaku lapisan batas untuk bidang datar# kita mengidentifikasi transisi yang terjadi di lokasi 6c. ;ilangan ritis <eynolds# <e6#c# sesuai dengan timbulnya transisi# diketahui bervariasi +=! 9 6 +>_{# tergantung pada kekasaran permukaan dan tingkat turbulensi} aliran bebas.

ℜ

 _{x ,c}

=

u∞ xc

v

=

5 x 10

5

++ K0efisien K0n1eksi L0kal dan Rata 3 Rata

-ebagaimana telah kita lihat untuk kasus aliran paralel atas bidang datar   pada %ambar *.:# koefisien konveksi lokal h x bervariasi di atas permukaan  bidang. Pertimbangkan bermacam bentuk permukaan dan daerah  A s# dengan suhu permukaan yang seragam T  s (< T ∞ ) mengenai aliran fluida dengan aliran kecepatan bebas u∞ dan temperatur T ∞(<Ts) '%ambar *.=).

%ambar *.=

oefisien konveksi bervariasi di atas permukaan bentuk yang berubah ! ubah# serta untuk bidang datar. Untuk kedua situasi lokal heat fluks# q”# dapat dinyatakan sebagai

} = {h} rsub {x} left ({T} rsub {s} - {T} rsub {} right ! q¿

"otal laju perpindahan panas dapat diperoleh dengan mengintegrasikan lokal heat fluks di atas seluruh permukaan A s# adalah

q

=´

h A_s

(

T _s

−

T _∞

)

di mana h

´

menunjukkan rata ! rata koefisien konveksi yang diperoleh dari

´

h

=

(

1  A_s

)

∫

 _A s ❑ h xd As

Perhatikan bah$a untuk kasus khusus dari aliran atas bidang datar  '%ambar *.>)# h x bervariasi dengan jarak  x dari tepi dan persamaan menjadi#

´

h _x

=

(

1  x

)

∫

₀  x h _xd x %ambar *.>

++- K0,elasi: Mem4e,ki,akan K0efisien K0n1eksi

"ujuan utama dalam masalah konveksi adalah untuk menentukan koefisien konveksi untuk kondisi aliran yang berbeda dan geometri dengan fluida yang berbeda. Menyadari bah$a ada banyak variabel yang terkait dengan  berbagai kondisi aliran# kepentingan kita adalah dalam mengidentifikasi

yang universal fungsi dalam hal parameter berdimensi atau kelompok  yang memiliki makna fisik untuk kondisii aliran konvektif. elompok  yang tidak berukuran penting untuk konvektif perpindahan panas diringkas dalam tabel berikut.

+- K0n1eksi Pada *idan5 Data, +-+! Ali,an Lamina,

Untuk aliran laminer# ketebalan lapisan batas hidrodinamik dapat diekspresikan sebagai berikut

δ 

=

5 x

ℜ

 x −1/"

Dimana <eynold number dalam x yaitu#

ℜ

 _x

=

u∞ x v

Dan untuk local 8usselt number!nya adalah#

 Nu _x

=

h x x

k 

=

0#$$"

ℜ

 x

1/"

 Pr1/$

[

0#%

¿

 Pr

¿

50

]

Perhatikan bagaimana kita telah menentukan hambatan pada jangkauan  penerapan korelasi# dalam hal ini untuk Prandtl number. <asio

hidrodinamika untuk ketebalan lapisanbatas thermal yaitu#

δ  δ _t ≈ Pr

1/$

+-+ Ali,an Tu,6ulen

Untuk aliran turbulen# ketebalan lapisan batas hidrodinamik dapat diekspresikan sebagai berikut#

Dan untuk local 8usselt number!nya adalah#

[ ¿

_0#%ℜ x¿_< Pr10_¿%0 '

]

 Nu x

=

h _x x k 

=

0#0"%

ℜ

 x )/5  Pr1/$

¿

*A* III ST%D( KAS%S

-+! C0nt0h !7 A1e,a5e C0effi8ient f,0m the L08al C0effi8ient Va,iati0n

*A* IV KESIMP%LAN

!+ onveksi adalah mekanisme perpindahan panas yang terjadi pada antarmuka padat!cairan. "indakan fluida sebagai kendaraan untuk  transportasi energi# dan kepadatan heat fluks tergantung pada kecepatan dimana cairan diperbaharui menuju ke permukaan.

+ Pola aliran pada proses perpindahan konveksi ada dua macam# yaitu aliran laminar dan aliran turbulen.

-+ ?ika nilai <eynold number @ =6+=_{maka jenis alirannya adalah laminar#} sedangkan jika nilai <eynold number ( =6+= _{maka jenis alirannya adalah} turbulen.

DA'TAR P%STAKA

Moran# Michael ?. *9. “7undamentals of 5eat "ransfer”. 8e$ Aork B ?ohn 0illey C -ons nc.